專利名稱：一種氫化物氣相外延設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氫化物氣相外延(HVPE)設(shè)備，尤其是生長氮化鎵(GaN)、氮化鋁(AlN)的 HVPE 設(shè)備。
背景技術(shù)：
以氮化鎵(GaN)為代表的III族氮化物已經(jīng)成為一種重要的半導(dǎo)體材料。然而由于缺乏襯底材料，目前遇到發(fā)展瓶頸。氫化物氣相外延(HVPE)是目前最有希望解決氮化物(氮化鎵或GaN、氮化鋁或AIN等)襯底的生長方法，因此受到重視。常規(guī)的HVPE設(shè)備，主體是一個石英管真空腔室。將襯底，源材料放入石英管內(nèi)，多個加熱器放在石英管外。這種設(shè)備雖然結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，但也有以下嚴重的缺點:①不安全，這是因為石英管是易碎材料，很容易破裂造成。尤其是生長氮化鋁(AlN)材料時一氯化鋁(AlCl)對石英還有腐蝕性生長溫度受限，原則上不能超過120(TC。石英一旦超過1200°C就會軟化，加熱器(一般是鎳鉻合金)超過120(TC在空氣環(huán)境下會燒毀容量有限，這是由于石英管不宜做成大腔室，否則承受不了大氣壓力；④材料均勻性不好，難以批量生產(chǎn)。水平反應(yīng)室雖然氣流穩(wěn)定但襯底不能(或不容易實現(xiàn))旋轉(zhuǎn)，而垂直反應(yīng)室雖然容易實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)但氣流不易穩(wěn)定；⑤不容易實現(xiàn)在線監(jiān)控。這是由于在石英管上安裝傳感器是非常困難的事情，何況石英管外面還有加熱器及保溫層包圍；⑥裝片/取片都不方便。由此可見，以上6條原因都直接或間接與“石英反應(yīng)室”有關(guān)。本發(fā)明就是為解決以上問題的，其核心思想是水冷不銹鋼腔室代替石英管腔室，不銹鋼腔室起真空密封作用。將加熱器放入不銹鋼腔室內(nèi)部，在加熱器和不銹鋼腔室之間用保溫層隔離。另外在加熱器內(nèi)放置內(nèi)部反應(yīng)室，由石英、耐高溫陶瓷、石墨或碳纖維、或者耐高溫金屬制成。內(nèi)部反應(yīng)室主要起“氣體導(dǎo)向”作用，限制氣體的流動范圍，不承擔(dān)“真空密封”作用。內(nèi)部反應(yīng)室為水平結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)氣體流動平穩(wěn)，易形成層流流動。襯底托盤旋轉(zhuǎn)，由固定在不銹鋼腔室外的電機帶動旋轉(zhuǎn)，這樣材料生長更均勻。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明為一種氫化物氣相外延(HVPE)設(shè)備，其核心思想是:①水冷不銹鋼腔室代替常規(guī)HVPE設(shè)備中的石英管腔室，不銹鋼腔室起真空密封作用；②將加熱器放入不銹鋼腔室內(nèi)部，在加熱器和不銹鋼腔室之間用保溫層隔離在加熱器內(nèi)放置內(nèi)部反應(yīng)室，由石英、耐高溫陶瓷、石墨或碳纖維、或者耐高溫金屬制成。內(nèi)部反應(yīng)室主要起“氣體導(dǎo)向”作用，限制氣體的流動范圍，不承擔(dān)“真空密封”作用；④內(nèi)部反應(yīng)室為水平結(jié)構(gòu)。與垂直結(jié)構(gòu)相t匕，水平結(jié)構(gòu)的氣體流動平穩(wěn)，易形成層流流動襯底托盤旋轉(zhuǎn)，由固定在不銹鋼腔室外的電機帶動旋轉(zhuǎn)，這樣材料生長更均勻。本發(fā)明的HVPE設(shè)備，其結(jié)構(gòu)包括:水冷不銹鋼腔室(1)，保溫層(2)，源加熱器
(3)，襯底加熱器(4)，腔室隔熱器(5)，內(nèi)部反應(yīng)室￠)，襯底托盤(7)，托盤旋轉(zhuǎn)升降機構(gòu)(8)，噴氣口(9)，金屬舟(10)，等。[0007]水冷不銹鋼腔室⑴分為三部分，分別為上蓋板(IA)、下底板(IB)、墻板(IC)，中間用膠圈(21)密封，合起來是一個整體。水冷不銹鋼腔室(I)的作用是將空氣與腔室內(nèi)部隔開，通過壓強控制裝置保存腔室(I)內(nèi)部的壓強。通過機械裝置可以將上蓋板(IA)、下底板(IB)、墻板(IC)分開，方便樣品取出和裝入。[0008]當上蓋板(IA)、下第板(IB)、墻板(IC)合起來時，形成一個完整的水冷不銹鋼腔室(I)。按照空間劃分，這個腔室又分為以下四部分:(a)前端腔室(101)、金屬舟腔室 (102)、生長腔室(103)、尾氣腔室(104)。[0009]前端腔室(101)沒有加熱器和保溫層，主要作用是安裝噴氣口(9)。[0010]金屬舟腔室(102)內(nèi)有源加熱器(3)和保溫層(2)，主要作用是為金屬舟(10)以及內(nèi)部反應(yīng)室(6)的前端加熱并提供合適的溫度環(huán)境。[0011]生長腔室(103)內(nèi)有襯底加熱器(4)和保溫層(2)，主要作用是為襯底托盤(7)以及內(nèi)部反應(yīng)室(6)的后端加熱并提供合適的溫度環(huán)境。[0012]尾氣腔室(104)內(nèi)沒有加熱器和保溫層，主要作用是收集尾氣并給尾氣降溫。[0013]水冷不銹鋼腔室(I)，其結(jié)構(gòu)可以是雙層不銹鋼結(jié)構(gòu)，在夾層中通水，也可以是單層不銹鋼結(jié)構(gòu)，在不銹鋼腔室的內(nèi)側(cè)(或外側(cè))緊貼一層專用水冷板(22)。[0014]所謂的專用水冷板(22)，一般是用紫銅材料制成。在一塊紫銅板上焊接紫銅管，在紫銅管內(nèi)通冷卻水，達到降溫的目的。為了開蓋方便，專用水冷板(22)分為上下兩部分，分別為上層水冷板(22A)和下層水冷板(22B)，其中上層水冷板(22A)與上蓋板(IA)固定，下層水冷板(22B)與下底板(IB)固定。[0015]保溫層(2)分為上下兩部分，分別為上保溫層(2A)和下保溫層(2B)，其中上保溫層(2A)與上蓋板(IA)固定，下保溫層(2B)與下底板(IB)固定。保溫層(2)的作用是將腔室內(nèi)部的高溫區(qū)和水冷腔室隔開，防止熱量從高溫區(qū)傳向水冷腔室。[0016]保溫層(2)的材料，可以是由多層金屬片(鎢、鑰、鉭、不銹鋼等)做成的光反射屏，也可以是有各種保溫材料(石英棉、氧化鋯纖維棉、氧 化鋁纖維棉、碳氈等)做成的保溫體，也可以是由這兩種材料的組合。[0017]源加熱器(3)也分為上下兩部分，分別為:上層源加熱器(3A)和下層源加熱器 (3B)，其中上層源加熱器(3A)與上蓋板(IA)固定，下層源加熱器(3B)與下底板(IB)固定。 源加熱器(3)的作用是加熱內(nèi)部反應(yīng)室(6)的前部以及金屬舟(10)，使得內(nèi)部反應(yīng)室(6) 的前部以及金屬舟(10)維持在一定的溫度。上層源加熱器(3A)和下層源加熱器(3B)分別由兩個溫度控制器控制，兩個加熱器的溫度可以是一致的，也可以略有差異。[0018]襯底加熱器(4)也分為上下兩部分，分別為:上層襯底加熱器(4A)和下層襯底加熱器(4B)，其中上層襯底加熱器(4A)與上蓋板(IA)固定，下層襯底加熱器(4B)與下底板 (IB)固定。襯底加熱器(4)的作用是加熱內(nèi)部反應(yīng)室￠)的后部以及襯底托盤(7)，使得內(nèi)部反應(yīng)室￠)的后部以及襯底托盤(7)維持在一定的溫度。上層襯底加熱器(4A)和下層襯底加熱器(4B)分別由兩個溫度控制器控制，兩個加熱器的溫度可以是一致的，也可以略有差異。[0019]關(guān)于源加熱器(3)和襯底加熱器⑷的材料:可以是耐高溫的金屬材料(鶴、鑰、 鉭、鎳鉻合金等)，也可以是石墨材料和碳纖維材料，也可以是一些耐高溫的導(dǎo)電陶瓷材料 (如硼化鈦陶瓷)做成。關(guān)于源加熱器(3)和襯底加熱器(4)的加熱方式:既可以是電阻加熱，也可以是電磁感應(yīng)加熱。腔室隔熱器(5)也分為上下兩部分，分別為上腔室隔熱器(5A)和下腔室隔熱器(5B)，其中上腔室隔熱器(5A)與上蓋板(IA)固定，下腔室隔熱器(5B)與下底板(IB)固定。腔室隔熱器(5)的作用是將源舟腔室(102)和生長腔室(103)隔開，防止這兩個腔室內(nèi)的熱量相互傳遞，保持這兩個腔室內(nèi)有一定的溫度差，以致使得金屬舟(10)和襯底托盤(7)保持一定的溫度差。腔室隔熱器(5)可以是耐高溫、電絕緣、隔熱陶瓷材料做成，如氧化鋁陶瓷，氧化硅(石英陶瓷)，莫來石(氧化鋁和氧化硅混合陶瓷)，氧化鋯陶瓷，氧化鎂陶瓷等。內(nèi)部反應(yīng)室(6)為長方形管，它的前端有一塊或兩塊隔板(601)，隔開金屬(鎵、鋁等)源、氣體源或頂層氣體(一般是攜帶氣體)。它的前端還有一金屬源加料口 ￠02)，加料完畢后用加料口專用蓋子(603)蓋上。它的后端有兩個圓孔:一個圓孔為托盤鑲嵌孔(604),其直徑略大于襯底托盤(7)的直徑,一般大2 4毫米即可。例如,如果襯底托盤(7)的直徑為150毫米，那么托盤鑲嵌孔￠04)的直徑為154毫米。平時襯底托盤嵌入圓孔(604)內(nèi)。另一個圓孔為樣品裝卸孔(605)，其直徑需要大于托盤直徑，一般大于6 20毫米。例如，如果襯底托盤(7)的直徑為150毫米，那么樣品裝卸孔(605)的直徑為160毫米即可。平時，樣品裝卸孔(605)用裝卸孔專用蓋子(606)蓋上。在進行裝片/取片時，需要先取下裝卸孔專用蓋子(606)，襯底托盤(7)由托盤旋轉(zhuǎn)升降機構(gòu)(8)頂出內(nèi)部反應(yīng)室(6)。內(nèi)部反應(yīng)室￠)的尾端有若干尾氣孔￠07)，化學(xué)反應(yīng)后尾氣從尾氣孔￠07)中排出。
內(nèi)部反應(yīng)室(6)兩端與墻板(IC)固定。它的主要作用是為源材料氣體和攜帶氣體提供一個通道，并將所需要所有氣體限制在內(nèi)部反應(yīng)室(6)的內(nèi)部，形成一個穩(wěn)定的平流層氣流，不起真空密封作用。內(nèi)部反應(yīng)室(6)橫跨前端腔室(101)，金屬舟腔室(102)，生長腔室(103)，尾氣腔室(104)。其前端與噴氣口(9)對接，源氣體和攜帶氣體從噴氣口流經(jīng)內(nèi)部反應(yīng)室￠)，在襯底托盤(7)上進行外延生長，尾氣從它的尾氣孔(607)排出內(nèi)部反應(yīng)室￠)，然后經(jīng)尾氣腔室(104)冷卻后由總抽氣口 (23)抽出。內(nèi)部反應(yīng)室(6)，其材料可以石英、剛玉、石墨或碳纖維、或者耐高溫金屬(鎢、鑰、鉭、鉬、銥、鎳鉻合金等)。襯底托盤(7)是生長材料時放置襯底的地方，外形為圓形，直徑略小于托盤鑲嵌孔(604)，一般小2 4毫米即可。平時襯底托盤(7)嵌入托盤圓孔￠04)內(nèi)。襯底托盤(7)的下部與托盤旋轉(zhuǎn)升降機構(gòu)(8)中的旋轉(zhuǎn)軸(801)相連。在進行材料外延生長時，由托盤旋轉(zhuǎn)升降機構(gòu)(8)帶動襯底托盤(7)旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速在每分鐘10 120轉(zhuǎn)之間。在往托盤上裝卸襯底或樣品時，由托盤旋轉(zhuǎn)升降機構(gòu)(8)往上頂出內(nèi)部反應(yīng)室(6)。襯底托盤(7)，其材料可以是石墨、耐高溫導(dǎo)熱陶瓷(碳化硅陶瓷、氮化硼陶瓷等)，也可以是耐高溫導(dǎo)熱金屬材料(鎢、鑰、鉭、鉬、銥、鎳鉻合金等)。托盤旋轉(zhuǎn)升降機構(gòu)(8)是由旋轉(zhuǎn)軸(801)、電機(802)、磁流體軸承(803)、波紋管(804)及直線滑移機構(gòu)等組成，其中襯底托盤(7)的下部與旋轉(zhuǎn)軸(801)相連。它的主要作用是:在進行材料外延生長時，該機構(gòu)帶動襯底托盤(7)旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速在每分鐘10 120轉(zhuǎn)之間。在往托盤上裝卸襯底或樣品時，該機構(gòu)將襯底托盤(7)往上頂出內(nèi)部反應(yīng)室(6)。[0029]噴氣口(9)外形為長方體，由不銹鋼(包括耐熱不銹鋼、鎳鉻合金等)加工，一般情況下需要通水冷卻。它有2 3個進氣口(901)，這些進氣口與設(shè)備總進氣口(24)連接，接源氣體；另有密集的噴氣孔(902)，孔徑在I毫米以下，這些噴氣孔(902)與內(nèi)部反應(yīng)室
(6)對接。為了噴氣口(9)和內(nèi)部反應(yīng)室(6)之間準確對接，在噴氣口(9)上另外有對接槽(903)。它的主要作用是將源氣體強制分開成為橫向均勻的氣體，在內(nèi)部反應(yīng)室(6)的內(nèi)部成層流形流動。金屬舟(10)是一長方形器皿，口大深度淺。橫向尺寸略小于內(nèi)部反應(yīng)室(6)寬度的內(nèi)尺寸，一般情況下小于4毫米即可。例如:內(nèi)部反應(yīng)室(6)內(nèi)部寬度為200毫米時，金屬舟的外部寬度只要等于或小于196毫米即可。深度一般小于10毫米。它的主要作用是裝金屬材料(如鎵、鋁等)。在外延生長時，當有氯化氫等氣體經(jīng)過金屬舟(10)上面時，氯化氫與熔融金屬(如鎵、鋁等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成金屬氯化物(如:AlCl3、AlCl、GaCl3、GaCl等)。金屬舟(10)的材料:可以是石英、石墨、耐高溫導(dǎo)熱陶瓷(碳化硅陶瓷、氮化硼陶瓷等)，也可以是耐高溫導(dǎo)熱金屬材料(鎢、鑰、鉭、鉬、銥、鎳鉻合金等)。金屬舟(10)可以單獨成為一個部件,也可以與內(nèi)部反應(yīng)室(6)做成一個整體成為一個復(fù)合部件。

圖1是本發(fā)明的HVPE設(shè)備結(jié)構(gòu)圖，圖中水冷不銹鋼腔室的上蓋板處于關(guān)閉且襯底托盤處于生長狀態(tài)。圖2是本發(fā)明的HVPE設(shè)備結(jié)構(gòu)圖，圖中水冷不銹鋼腔室的蓋板已經(jīng)打開且襯底托盤已經(jīng)被頂出內(nèi)部反應(yīng)室之外。圖3A、圖3B、圖3C是內(nèi)部反應(yīng)室的立體圖，圖中只有一層隔板。圖3A、圖3B分別為同一內(nèi)部反應(yīng)室在不同角度觀看的效果圖，圖3C為該內(nèi)部反應(yīng)室經(jīng)過透明化處理后的效果圖。 圖4A、圖4B是噴氣口的立體圖。圖4A、圖4B分別是同一噴氣口從不同角度觀看的效果圖。圖5是金屬舟的立體圖。圖6A、圖6B是襯底托盤的立體圖。圖6A、圖6B分別是同一襯底托盤從不同角度觀看的效果圖。圖7是源加熱器或者襯底加熱器采用電阻加熱方式的結(jié)構(gòu)示意圖。圖8是內(nèi)部反應(yīng)室和金屬舟做在一起成為一個復(fù)合部件的立體圖，該圖為已進行透明化處理后的效果圖。
具體實施方式
結(jié)合圖1、圖2、圖3A、圖3B、圖3C、圖4A、圖4B、圖5、圖6A、圖6B、圖7、圖8，為本
發(fā)明的一種具體實施方式
。該HVPE設(shè)備包括:水冷不銹鋼腔室(1)，保溫層(2)，源加熱器
(3)，襯底加熱器(4)，腔室隔熱器(5)，內(nèi)部反應(yīng)室￠)，襯底托盤(7)，托盤旋轉(zhuǎn)升降機構(gòu)
(8)，噴氣口(9)，金屬舟(10)。水冷不銹鋼腔室⑴分為三部分，分別為上蓋板(IA)、下底板(IB)、墻板(IC)，中間用膠圈(21)密封，合起來是一個整體(如圖1所示)。水冷不銹鋼腔室(I)的作用是將空氣與腔室內(nèi)部隔開，通過壓強控制裝置保存腔室(I)內(nèi)部的壓強。通過機械裝置可以將上蓋板(IA)、下底板(IB)、墻板(IC)分開(如圖2所示)，方便樣品取出和裝入。當上蓋板(IA)、下第板(IB)、墻板(IC)合起來時(如圖1所示)，形成一個完整的水冷不銹鋼腔室(I)。按照空間劃分，這個腔室又分為以下四部分:(a)前端腔室(101)、金屬舟腔室(102)、生長腔室(103)、尾氣腔室(104)。前端腔室(101)沒有加熱器和保溫層，主要作用是安裝噴氣口(9)。金屬舟腔室(102)內(nèi)有源加熱器(3)和保溫層⑵，主要作用是為金屬舟(10)以及內(nèi)部反應(yīng)室(6)的前端加熱并提供合適的溫度環(huán)境。在生長氮化鎵材料時金屬舟腔室的溫度大約為850°C，而生長氮化鋁材料時，生長溫度可以是550°C 1400°C，依生長工藝而定。生長腔室(103)內(nèi)有襯底加熱器(4)和保溫層(2)，主要作用是為襯底托盤(7)以及內(nèi)部反應(yīng)室(6)的后端加熱并提供合適的溫度環(huán)境。在生長氮化鎵材料時腔室的溫度大約為1050°C，而生長氮化鋁材料時，生長溫度可以是1050°C 1600°C。尾氣腔室(104)內(nèi)沒有加熱器和保溫層，主要作用是收集尾氣并給尾氣降溫。水冷不銹鋼腔室(I)，其結(jié)構(gòu)可以是雙層不銹鋼結(jié)構(gòu)，在夾層中通水，也可以是單層不銹鋼結(jié)構(gòu)，在不銹鋼腔室的內(nèi)側(cè)(或外側(cè))緊貼一層專用的水冷板，如圖1、圖2所示。如生長氮化鋁材料時需要1600°C的高溫，一般用雙層不銹鋼結(jié)構(gòu)在夾層中通水，也可以用單層不銹鋼結(jié)構(gòu)在不銹鋼腔室的內(nèi)側(cè)緊貼一層專用的水冷板。如生長氮化鎵材料時只需要1050°C，溫度較低，可以用單層不銹鋼結(jié)構(gòu)在不銹鋼腔室的外側(cè)緊貼一層專用的水冷板即可，當然也可以用雙層不銹鋼結(jié)構(gòu)在夾層中通水或者用單層不銹鋼結(jié)構(gòu)在不銹鋼腔室的內(nèi)側(cè)緊貼一層專用水冷板。所謂的專用水冷板，一般是用紫銅材料制成。在一塊紫銅板上焊接紫銅管，在紫銅管內(nèi)通冷卻水，達到降溫的目的。為了開蓋方便，專用水冷板(22)分為上下兩部分，分別為上層水冷板(22A)和下層水冷板(22B)，其中上層水冷板(22A)與上蓋板(IA)固定，下層水冷板(22B)與下底板(IB)固定。當上蓋(IA)提起時，上層水冷板(22A)與上蓋板(IA) —起移動，如圖2所示。保溫層(2)分為上下兩部分，分別為上保溫層(2A)和下保溫層(2B)，其中上保溫層(2A)與上蓋板(IA)固定，下保溫層(2B)與下底板(IB)固定。這樣當上蓋(IA)提起時，上保溫層(2A)與上蓋(IA) —起移動，如圖2所示。保溫層(2)的作用是將腔室內(nèi)部的高溫區(qū)和水冷腔室隔開，防止熱量從高溫區(qū)傳向水冷腔室。保溫層(2)的材料，可以是由多層金屬片(鎢、鑰、鉭、不銹鋼等)做成的光反射屏，也可以是有各種保溫材料(石英棉、氧化鋯纖維棉、氧化鋁纖維棉、碳氈等)做成的保溫體，也可以是由這兩種材料的組合。如生長氮化鋁材料時需要1600°C的高溫，保溫層需要15層以上的金屬片做成的光反射屏，或者厚度在8厘米以上的碳氈。如生長氮化鎵材料時只需要1050°C，溫度較低，保溫層需要8層以上的金屬片做成的光反射屏或者厚度在5厘米以上的碳氈即可。當然也可以是光反射屏和保溫材料組合起來使用。源加熱器(3)也分為上下兩部分，分別為:上層源加熱器(3A)和下層源加熱器(3B)，其中上層源加熱器(3A)與上蓋板(IA)固定，下層源加熱器(3B)與下底板(IB)固定。這樣當上蓋(IA)提起時，上層源加熱器(3A)與上蓋(IA) —起移動，如圖2所示。源加熱器⑶的作用是加熱內(nèi)部反應(yīng)室(6)的前部以及金屬舟(10)，使得內(nèi)部反應(yīng)室(6)的前部以及金屬舟(10)維持在一定的溫度。在生長氮化鎵材料時源舟腔室的溫度大約為850°C， 而生長氮化鋁材料時，生長溫度可以是550°C 1400°C，依生長工藝而定。上層源加熱器 (3A)和下層源加熱器(3B)分別由兩個溫度控制器控制，兩個加熱器的溫度可以是一致的， 也可以略有差異。例如，為了抑制內(nèi)部反應(yīng)室(6)中氣體的熱浮力，減少在內(nèi)部反應(yīng)室(6) 頂棚上的生長速率(HVPE生長時溫度越高生長速率越慢)，上層源加熱器(3A)的工作溫度一般比下層源加熱器(3B)的工作溫度高30°C 200°C。[0051]襯 底加熱器(4)也分為上下兩部分，分別為:上層襯底加熱器(4A)和下層襯底加熱器(4B)，其中上層襯底加熱器(4A)與上蓋板(IA)固定，下層襯底加熱器(4B)與下底板 (IB)固定。這樣當上蓋(IA)提起時，上層襯底加熱器(4A)與上蓋(IA) —起移動，如圖2 所示。襯底加熱器(4)的作用是加熱內(nèi)部反應(yīng)室￠)的后部以及襯底托盤(7)，使得內(nèi)部反應(yīng)室￠)的后部以及襯底托盤(7)維持在一定的溫度。在生長氮化鎵材料時腔室的溫度大約為1050°C，而生長氮化鋁材料時，生長溫度可以是1050°C 1600°C，依生長工藝而定。 上層襯底加熱器(4A)和下層襯底加熱器(4B)分別由兩個溫度控制器控制，兩個加熱器的溫度可以是一致的，也可以略有差異。例如，為了抑制內(nèi)部反應(yīng)室(6)中氣體的熱浮力，減少在內(nèi)部反應(yīng)室(6)頂棚上的生長速率(HVPE生長時溫度越高生長速率越慢)，上層襯底加熱器(4A)的工作溫度一般比下層襯底加熱器(4B)的工作溫度高30°C 200°C。[0052]關(guān)于源加熱器⑶和襯底加熱器⑷的材料:可以是耐高溫的金屬材料(鶴、鑰、 鉭、鎳鉻合金等)，也可以是石墨材料和碳纖維材料，也可以是一些耐高溫的導(dǎo)電陶瓷材料 (如硼化鈦陶瓷)做成。關(guān)于源加熱器(3)和襯底加熱器(4)的加熱方式:既可以是電阻加熱，也可以是電磁感應(yīng)加熱。圖7是源加熱器或者襯底加熱器采用電阻加熱方式的結(jié)構(gòu)示意圖。電流從兩個電極孔引入。如采用直流加熱電壓一般小于80伏特，而采用工頻交流加熱有效電壓一般小于50伏特。加熱電流從幾十安培到一千多安培，依工作溫度和加熱功率而定。[0053]腔室隔熱器(5)也分為上下兩部分，分別為上腔室隔熱器(5A)和下腔室隔熱器 (5B)，其中上腔室隔熱器(5A)與上蓋板(IA)固定，下腔室隔熱器(5B)與下底板(IB)固定。 這樣當上蓋(IA)提起時，上腔室隔熱器(5A)與上蓋(IA) —起移動，如圖2所示。腔室隔熱器(5)的作用是將源舟腔室(102)和生長腔室(103)隔開，防止這兩個腔室內(nèi)的熱量相互傳遞，保持這兩個腔室內(nèi)有一定的溫度差，以致使得金屬舟(10)和襯底托盤(7)保持一定的溫度差。例如，在生長氮化鎵材料時金屬舟(10)的溫度在850°C左右，而襯底托盤(7) 的溫度在1050°C左右，兩者溫度差為200°C左右。[0054]腔室隔熱器(5)可以是耐高溫、電絕緣、隔熱陶瓷材料做成，如氧化鋁陶瓷，氧化硅(石英陶瓷)，莫來石(氧化鋁和氧化硅混合陶瓷)，氧化鋯陶瓷，氧化鎂陶瓷等。為了防止與源加熱器(3)和襯底加熱器(4)接觸造成漏電，腔室隔熱器(5) —般用電絕緣陶瓷。為了加強隔熱效果，腔室隔熱器(5) —般用導(dǎo)熱很差(隔熱效果較好)而且不透明(或者不透光)的陶瓷。[0055]內(nèi)部反應(yīng)室(6)為長方形管，如圖3A、圖3B、圖3C所不，它長1120暈米，寬200暈米(內(nèi)壁)，高28毫米(內(nèi)壁)。這是一款適合生長4片2英寸GaN或者AIN襯底的HVPE 設(shè)備的內(nèi)部反應(yīng)室。它的前端有一塊隔板(601)，隔開金屬(鎵、鋁等)源、氣體源。它的前端還有一金屬源加料口 ￠02)，加料完畢后用加料口專用蓋子(603)蓋上。它的后端有兩個圓孔:一個圓孔為托盤鑲嵌孔￠04)，其直徑略大于襯底托盤(7)的直徑。由于加工精度限制以及熱脹冷縮等原因，托盤鑲嵌孔(604)的直徑不可能與襯底托盤(7) —致，托盤鑲嵌孔(604)的直徑總比襯底托盤(7)的直徑略大一些，但也不宜過大，否則內(nèi)部反應(yīng)室(6)中的氣體會從這兩者之間的縫隙漏出來。一般情況下，托盤鑲嵌孔￠04)的直徑比襯底托盤(7)的直徑大2 4毫米即可。例如，如果襯底托盤(7)的直徑為150毫米(可以裝4片2英寸襯底，如圖6A、圖6B所示)，那么托盤鑲嵌孔￠04)的直徑為154毫米。平時襯底托盤嵌入圓孔(604)內(nèi)。另一個圓孔為樣品裝卸孔(605)，其直徑需要大于托盤直徑，一般大于6 20毫米。如果襯底托盤(7)的直徑為150毫米(可以裝4片2英寸襯底，如圖6A、圖6B所示)，那么樣品裝卸孔(605)的直徑為160毫米即可。平時，樣品裝卸孔(605)用裝卸孔專用蓋子(606)蓋上。在進行裝片/取片時，需要先取下裝卸孔專用蓋子(606)，襯底托盤⑵由托盤旋轉(zhuǎn)升降機構(gòu)⑶頂出內(nèi)部反應(yīng)室(6)，如圖2所示。內(nèi)部反應(yīng)室(6)的尾端有若干尾氣孔(607)，化學(xué)反應(yīng)后尾氣從尾氣孔￠07)中排出。在圖3A、圖3B、圖3C中，有10個直徑為20毫米的圓孔，尾氣從這些圓孔排出。內(nèi)部反應(yīng)室(6)兩端與墻板(IC)固定。它的主要作用是為源材料氣體和攜帶氣體提供一個通道，并將所需要所有氣體限制在內(nèi)部反應(yīng)室(6)的內(nèi)部，形成一個穩(wěn)定的平流層氣流，不承擔(dān)真空密封作用。需要指出的是:在本設(shè)備中，內(nèi)部反應(yīng)室(6)內(nèi)外的壓強是相等的，因此即使在內(nèi)部反應(yīng)室(6)上面有少許縫隙(如襯底托盤和托盤鑲嵌孔之間就有縫隙)，也不會有大量的氣體從內(nèi)部反應(yīng)室出)內(nèi)部泄漏出來。內(nèi)部反應(yīng)室(6)橫跨前端腔室(101)，金屬舟腔室(102)，生長腔室(103)，尾氣腔室(104)。其前端與噴氣口(9)對接，源氣體和攜帶氣體從噴氣口流經(jīng)內(nèi)部反應(yīng)室￠)，在襯底托盤(7)上進行外延生長，尾氣從它的10個尾氣孔(607)排出內(nèi)部反應(yīng)室￠)，然后經(jīng)尾氣腔室(104)冷卻后，由總抽氣口 (23)抽出。內(nèi)部反應(yīng)室(6)，其材料可以石英、剛玉、石墨或碳纖維、或者耐高溫金屬(鎢、鑰、鉭、鉬、銥、鎳鉻合金等)，依生長溫度和化學(xué)環(huán)境而定。一般情況下，如果生長氮化鎵材料，生長溫度在1050°C附近，采用石英做內(nèi)部反應(yīng)室(6)更好些；如果生長氮化鋁，需要生長溫度更高，甚至達到1600°C，就需要采用剛玉或碳纖維、或者鑰、鎢等金屬材料。襯底托盤(7)是生長材料時放置襯底的地方,夕卜形為圓形，圖6A、圖6B是一個直徑150毫米的襯底托盤(7)，適合生長4片2英寸襯底。平時襯底托盤(7)嵌入圓孔(604)內(nèi)。襯底托盤(7)的下部與托盤旋轉(zhuǎn)升降機構(gòu)(8)中的旋轉(zhuǎn)軸(801)相連。在進行材料外延生長時，由托盤旋轉(zhuǎn)升降機構(gòu)⑶帶動襯底托盤(7)旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速在每分鐘10 120轉(zhuǎn)之間。在往托盤上裝卸襯底或樣品時，由托盤旋轉(zhuǎn)升降機構(gòu)(8)往上頂出內(nèi)部反應(yīng)室(6)，如圖2所示。襯底托盤(7)，其材料可以是石墨、耐高溫導(dǎo)熱陶瓷(碳化硅陶瓷、氮化硼陶瓷等)，也可以是耐高溫導(dǎo)熱金屬材料(鎢、鑰、鉭、鉬、銥、鎳鉻合金等)。托盤旋轉(zhuǎn)升降機構(gòu)(8)是由旋轉(zhuǎn)軸(801)、電機(802)、磁流體軸承(803)、波紋管(804)及直線滑移機構(gòu)(含電機、直線軸承等，這些都是成熟技術(shù)，在圖1和圖2中未畫出)等組成，其中襯底托盤(7)的下部與旋轉(zhuǎn)軸(801)相連。它的主要作用是:在進行材料外延生長時，該機構(gòu)帶動襯底托 盤(7)旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速在每分鐘10 120轉(zhuǎn)之間。在往托盤上裝卸襯底或樣品時，該機構(gòu)將襯底托盤(7)往上頂出內(nèi)部反應(yīng)室(6)，如圖2所示。噴氣口(9)外形為長方體，如圖4A、圖4B所示，由不銹鋼(包括耐熱不銹鋼、鎳鉻合金等)加工，一般情況下需要通水冷卻。它有2個進氣口(901)，分別通氨氣以及被氮氣稀釋后的氯化氫氣體，這些進氣口與設(shè)備總進氣口(24)相連，接源氣體；另有密集的噴氣孔(902)，孔徑在I毫米以下，這些噴氣孔(902)與內(nèi)部反應(yīng)室(6)對接。為了噴氣口(9)和內(nèi)部反應(yīng)室(6)之間準確對接，在噴氣口(9)上另外有對接槽(903)。它的主要作用是將源氣體強制分開成為橫向均勻的氣體，在內(nèi)部反應(yīng)室￠)的內(nèi)部成層流形流動。金屬舟(10)是一長方形器皿,如圖5所不，口大深度淺。橫向尺寸略小于內(nèi)部反應(yīng)室(6)寬度的內(nèi)尺寸，一般情況下小于4毫米即可。例如:內(nèi)部反應(yīng)室(6)內(nèi)部寬度為200毫米時，金屬舟的外部寬度只要等于或小于196毫米即可。深度一般小于10毫米。圖5是一個金屬舟(10)的立體圖，外部尺寸為190毫米X 100毫米，深度為6毫米。它的主要作用是裝金屬材料(如鎵、鋁等)。在外延生長時，當有氯化氫等氣體經(jīng)過金屬舟(10)上面時，氯化氫與熔融金屬(如鎵、鋁等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成金屬氯化物(如:AlCl3、AlCl、GaCl3、GaCl等)。金屬舟(10)的材料:可以是石英、石墨、耐高溫導(dǎo)熱陶瓷(碳化硅陶瓷、氮化硼陶瓷等)，也可以是耐高溫導(dǎo)熱金屬材料(鎢、鑰、鉭、鉬、銥、鎳鉻合金等)。金屬舟(10)可以單獨成為一個部件，也可以與內(nèi)部反應(yīng)室(6)做成一個整體成為一個復(fù)合部件。圖8是內(nèi)部反應(yīng)室和金屬舟做在一起成為一個復(fù)合部件的立體圖。該圖經(jīng)過透明化處理，可以看出金屬舟在內(nèi)部反應(yīng)室中的大致位置。金屬舟(10)的尺寸為:192毫米X70毫米，深度為5毫米，內(nèi)部反應(yīng)室(6)的尺寸為:長1120毫米，寬200毫米(內(nèi)壁)，高28毫米(內(nèi)壁)。該復(fù)合部件由石英做成適合生長氮化鎵襯底，一次可生長4片2英寸襯底。把金屬舟(10)與內(nèi)部反應(yīng)室(6)做成一個 復(fù)合部件，減少部件數(shù)量，有利于安裝和日常維護。
權(quán)利要求1.一種氫化物氣相外延設(shè)備，其特征在于:其結(jié)構(gòu)包括水冷不銹鋼腔室(1)，保溫層 (2)，源加熱器(3)，襯底加熱器(4)，腔室隔熱器(5)，內(nèi)部反應(yīng)室(6)，襯底托盤(7)，托盤旋轉(zhuǎn)升降機構(gòu)(8)，噴氣口(9)，金屬舟(10)；水冷不銹鋼腔室⑴分為三部分，分別為上蓋板(IA)、下底板(IB)、墻板(1C)，中間用膠圈(21)密封，合起來是一個整體；當上蓋板(IA)、下底板(IB)、墻板(IC)合起來時，形成一個完整的水冷不銹鋼腔室(I);按照空間劃分，這個腔室又分為以下四部分:(a)前端腔室(101)、金屬舟腔室(102)、 生長腔室(103)、尾氣腔室(104)；前端腔室(101)沒有加熱器和保溫層；金屬舟腔室(102)內(nèi)有源加熱器(3)和保溫層(2);生長腔室(103)內(nèi)有襯底加熱器(4)和保溫層(2);尾氣腔室(104)內(nèi)沒有加熱器和保溫層；保溫層(2)分為上下兩部分，分別為上保溫層(2A)和下保溫層(2B)，其中上保溫層 (2A)與上蓋板(IA)固定，下保溫層(2B)與下底板(IB)固定；源加熱器(3)也分為上下兩部分，分別為上層源加熱器(3A)和下層源加熱器(3B)，其中上層源加熱器(3A)與上蓋板(IA)固定，下層源加熱器(3B)與下底板(IB)固定；上層源加熱器(3A)和下層源加熱器(3B)分別由兩個溫度控制器控制，兩個加熱器的溫度可以是一致的，也可以略有差異；襯底加熱器(4)也分為上下兩部分，分別為上層襯底加熱器(4A)和下層襯底加熱器 (4B)，其中上層襯底加熱器(4A)與上蓋板(IA)固定，下層襯底加熱器(4B)與下底板(IB) 固定；上層襯底加熱器(4A)和下層襯底加熱器(4B)分別由兩個溫度控制器控制，兩個加熱器的溫度可以是一致的，也可以略有差異；腔室隔熱器(5)也分為上下兩部分，分別為上腔室隔熱器(5A)和下腔室隔熱器(5B)， 其中上腔室隔熱器(5A)與上蓋板(IA)固定，下腔室隔熱器(5B)與下底板(IB)固定； 內(nèi)部反應(yīng)室(6)為長方形管，它的前端有一塊或兩塊隔板(601)，隔開金屬源、氣體源或頂層氣體；它前端還有一金屬源加料口 ￠02)，加料完畢后用加料口專用蓋子(603)蓋上；它后端有兩個圓孔:一個圓孔為托盤鑲嵌孔￠04)，其的直徑略大于襯底托盤(7)的直徑，一般大2 4毫米即可；平時襯底托盤嵌入圓孔￠04)內(nèi)；另一個圓孔為樣品裝卸孔 (605)，平時用裝卸孔專用蓋子(606)蓋上；內(nèi)部反應(yīng)室(6)的尾端有若干尾氣孔(607)，化學(xué)反應(yīng)后尾氣從尾氣孔￠07)中排出；內(nèi)部反應(yīng)室(6)兩端與墻板(IC)固定；內(nèi)部反應(yīng)室(6)橫跨前端腔室(101)，金屬舟腔室(102)，生長腔室(103)，尾氣腔室 (104);它的前端與噴氣口(9)對接，源氣體和攜帶氣體從噴氣口流經(jīng)內(nèi)部反應(yīng)室￠)，在襯底托盤(7)上進行外延生長，尾氣從它的尾氣孔(607)排出內(nèi)部反應(yīng)室(6)； 襯底托盤(7)是生長材料時放置襯底的地方，外形為圓形，直徑略小于托盤鑲嵌孔 (604)，一般小2 4毫米即可；平時襯底托盤(7)嵌入托盤圓孔(604)內(nèi)；襯底托盤(7)的下部與托盤旋轉(zhuǎn)升降機構(gòu)(8)中的旋轉(zhuǎn)軸(801)相連；在進行材料外延生長時，由托盤旋轉(zhuǎn)升降機構(gòu)(8)帶動襯底托盤(7)旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)速在每分鐘10 120轉(zhuǎn)之間；在往托盤上裝卸襯底或樣品時，由托盤旋轉(zhuǎn)升降機構(gòu)(8)往上頂出內(nèi)部反應(yīng)室(6)；托盤旋轉(zhuǎn)升降機構(gòu)(8)是由旋轉(zhuǎn)軸(801)、電機(802)、磁流體軸承(803)、波紋管(804)及直線滑移機構(gòu)等組成，其中襯底托盤(7)的下部與旋轉(zhuǎn)軸(801)相連； 噴氣口(9)外形為長方體；它有2 3個進氣口(901)，這些進氣口接源氣體；另有密集的噴氣孔(902)，孔徑在I毫米以下，這些噴氣孔(902)與內(nèi)部反應(yīng)室(6)對接； 金屬舟(10)是一長方形器皿，口大深度淺；橫向尺寸略小于內(nèi)部反應(yīng)室(6)寬度的內(nèi)尺寸，一般情況下小于4毫米即可；深度一般小于10毫米；在外延生長時，當有氯化氫等氣體經(jīng)過金屬舟(10)上面時，氯化氫與熔融金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成金屬氯化物。
2.如權(quán)利要求1所述的一種氫化物氣相外延設(shè)備，其特征在于:水冷不銹鋼腔室(I)，可以是雙層不銹鋼結(jié)構(gòu)，在夾層中通水；也可以是單層不銹鋼結(jié)構(gòu)，在不銹鋼腔室的內(nèi)側(cè)(或外側(cè))緊貼一層專用的水冷板。
3.如權(quán)利要求1所述的一種氫化物氣相外延設(shè)備，其特征在于:保溫層(2)由多層金屬片做成的光反射屏，或者由保溫材料做成的保溫體。
4.如權(quán)利要求1所述的一種氫化物氣相外延設(shè)備，其特征在于:源加熱器(3)和襯底加熱器(4)，由耐高溫的金屬、石墨、碳纖維，或耐高溫的導(dǎo)電陶瓷做成；而且加熱方式既可以是電阻加熱，也可以是電磁感應(yīng)加熱。
5.如權(quán)利要求1所述的一種氫化物氣相外延設(shè)備，其特征在于:腔室隔熱器(5)由耐高溫、電絕緣、隔熱陶瓷做成。
6.如權(quán)利要求1所述的一種氫化物氣相外延設(shè)備，其特征在于:內(nèi)部反應(yīng)室(6)由石英、剛玉、石墨或碳纖維、或者耐高溫金屬做成。
7.如權(quán)利要求1所述的一種氫化物氣相外延設(shè)備，其特征在于:襯底托盤(7)由石墨、耐高溫導(dǎo)熱陶瓷，或者耐高溫導(dǎo)熱金屬做成。
8.如權(quán)利要求1所述的一種氫化物氣相外延設(shè)備，其特征在于:噴氣口(9)一般由不銹鋼做成，使用時需要通水冷卻。
9.如權(quán)利要求1所述的一種氫化物氣相外延設(shè)備，其特征在于:金屬舟(10)由石英、石墨、耐高溫導(dǎo)熱陶瓷或者耐高溫導(dǎo)熱金屬做成。
10.如權(quán)利要求1所述的一種氫化物氣相外延設(shè)備，其特征在于:金屬舟(10)可以單獨成為一個部件,也可以與內(nèi)部反應(yīng)室(6)做成一個整體成為一個復(fù)合部件。
專利摘要本實用新型公開了一種氫化物氣相外延(HVPE)設(shè)備。該設(shè)備包括水冷不銹鋼真空腔室，保溫層，源加熱器，襯底加熱器，腔室隔熱器，內(nèi)部反應(yīng)室，襯底托盤和旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，噴氣口，金屬舟，以及樣品出入口等。本實用新型區(qū)別于常規(guī)的HVPE設(shè)備主要在以下方面(a)水冷不銹鋼腔室代替常規(guī)的石英腔室；(b)在真空腔室內(nèi)置加熱器代替常規(guī)的外置加熱器。
文檔編號C30B25/02GK203159741SQ20122071543
公開日2013年8月28日 申請日期2012年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月24日
發(fā)明者劉祥林 申請人:劉祥林